放射治疗基本技术

第一节　放射治疗基本技术

放疗是肿瘤有效局部治疗手段之一。据统计，目前的肿瘤患者中约有70%在不同阶段需要放射治疗，其中有18%～25%通过放疗可以得到治愈。随着放疗技术的进展，一些早期实体肿瘤患者首选放疗病例不断增加，其根治的比例还会进一步提高。因此，放疗根治肿瘤的潜力很大。

放疗经历了近一个世纪的发展，在近20年发生了巨大变化，特别是三维适形放疗、调强放疗等设备和技术的出现，为肿瘤治疗开辟了新途径。令人鼓舞的是自从立体定向放疗和三维适形放疗用于临床后，放疗在肿瘤综合治疗中的地位和作用发生了根本变化，由原来的只能作为姑息或术后辅助治疗手段，变为多数患者愿意首选的治疗手段之一。但是，由于放射物理学和放疗技术发展迅速，而放射生物学发展相对滞后，在临床放疗还受到常规放疗模式束缚的今天，要充分利用放疗的先进设备和技术，有效、安全的治疗肿瘤，实现高疗效、低损伤的放疗效果，必须全面了解放疗的历史，重新认识放疗的作用，以新思维迎接放疗新技术提供的机遇和挑战。

一、常规放射治疗

常规放射治疗技术是指在X线模拟定位机下确定病灶的治疗范围，通过⁶⁰钴治疗机的γ射线或直线加速器的高能X线实施照射的放疗技术，该方法经历了大半个世纪的临床应用。在此期间的放疗设备从深部X线机、⁶⁰钴治疗机发展到直线加速器，使放疗的剂量深度和剂量分布得到了较大的改善，治疗范围也相应的扩大，在各种肿瘤的综合治疗中发挥了重要作用。但是，在X线模拟定位机下确定肿瘤范围有很大的局限性，常规放疗技术无法实施多野非共面聚焦式照射，多数只能采用简单的单方向照射或前后、左右两个方向对穿照射，使过多的正常组织在照射范围内，无法提高肿瘤的控制剂量，使得常规放疗的疗效一直不尽如人意。

在常规放射治疗技术条件下所采用的照射方法是每天照射一次，每次1.8～2.0 Gy，每周5次，6～7周内照射60～70 Gy。这一照射方法源于上世纪30年代，基于对皮肤癌治疗有效，而正常组织可耐受的临床结果一直沿用至今。在半个多世纪中，放射生物学一直以这一临床经验模式为核心进行了有关的基础研究，提出了很多与这一模式相关的生物效应剂量的标化公式以及不同时间—剂量—分割对早期和晚期组织有不同影响的线性二次模型。据此，在常规放疗的基础上提出了非常规分割的放疗方法，如超分割放疗、加速超分割放疗等，自80年代用于临床，并证明对部分肿瘤的放疗疗效优于常规放疗。但是，无论常规放疗还是非常规放疗，主要依赖于放射生物学原理，最终疗效受到了放疗技术的限制。长期的临床放疗经验和放射生物学理论给我们提供的放疗原则是，在避免正常组织严重损伤的前提下尽可能提高肿瘤的照射剂量。但在常规放疗条件下要避免放疗的后遗症，就难以彻底控制肿瘤。大量的临床结果表明，在照射60～70 Gy/6～7周只是一个对多数正常组织不造成严重损伤，而难以彻底根除多数肿瘤的方法。因此，要提高放射治疗的疗效，不仅要采用现代放疗技术，还必须改变观念，重新思考放疗的照射方法。

二、精确放射治疗

放疗是局部晚期NSCLC的主要治疗手段，这部分患者占确诊肺癌病例的40%左右。但是局部晚期NSCLC的治疗结果一直令人失望，5年生存率为5%～10%。局部控制率低是造成这种结果的一个主要原因，临床研究发现局部控制率仅为13%～70%。临床剂量研究显示，提高剂量可望提高局部控制率和生存率。根据Fletcher的放射生物学研究，要杀灭局部晚期NSCLC可能需要接近100 Gy的剂量。但由于肺组织耐受剂量的限制，给予60 Gy以上的剂量在常规放疗中是不可能的。精确放疗技术是在三维空间上从多角度、多方位，多源或多野对病灶进行聚焦式照射或三维适形照射。这些技术的应用可使肿瘤的放射剂量提高，正常组织的剂量降低，有利于提高治疗效果，降低放射损伤，为放疗根治肿瘤开辟了广阔的前景。三维适形放疗(3D-CRT)有两个目的:一是提高靶区剂量，提高局部控制率;二是降低靶区周围正常组织的照射剂量，从而降低并发症发生率。3D-CRT治疗计划能够提供精确的剂量体积分布图(dose volume histogram，DVH)。DVH对正常组织的受照射剂量提供了一个量化的体积—剂量分布图。根据DVH能够精确判断某一治疗计划产生正常组织并发症的可能性(normal tissue complication probability，NTCP)。NSCLC的放疗技术复杂，是进行治疗计划评价研究较好的范例。精确的治疗计划需要应用不规则野、组织补偿、多角度照射以及摆位重复性好等要求。最佳治疗计划的设计非常困难，体现在以下几个方面:①精确的靶区确认困难;②保护胸腔内敏感器官(心脏、肺、食管、脊髓);③胸廓外轮廓不规则;④治疗区组织密度不均一(肺、骨);⑤需要不规则野计算;⑥器官运动幅度大(呼吸运动、心脏和血管的搏动)。1991年Emami等报道了美国4个研究机构对肺癌三维放疗计划系统(3D-TPS)临床应用研究结果，认为3D-TPS在NSCLC的治疗中，在肿瘤区剂量分布和正常组织保护方面提供了优化的放疗计划。比较常规放疗计划与3D-TPS，常规放疗难以给予肿瘤区高剂量照射，不能控制正常组织的照射在适当的剂量范围内。3D-TPS的应用使高剂量低并发症的肺癌放疗成为可能。3D-CRT是现代放疗技术进展的集中体现，它是立体定位技术、影像技术、计算机技术和放疗设备及技术等一系列新技术的结合体。3D-CRT是应用立体定位技术和特殊射线装置，通过三维空间聚焦方式将大剂量高能射线聚焦于某一病灶，使这一病变组织被高剂量彻底摧毁，使周围正常组织受照射量减少而免受放射损伤，在临床上达到类似外科手术治疗效果。3D-CRT技术包括有效的体位固定、精确的肿瘤定位、将射线从多方位准确的聚集于肿瘤，形成一个紧扣肿瘤的高剂量区，其结果是使肿瘤组织和正常组织间的剂量差拉大，最终达到提高肿瘤的局部控制剂量，降低周围正常组织的放射损伤的目的。但是，3D-CRT技术只是提供了可提高肿瘤局部控制剂量，降低肿瘤周围正常组织损伤的放射物理学方法，要最终实现高疗效和低损伤的放疗效果，还必须以全新的思维，打破常规照射方法的束缚，建立有效、安全的照射模式。

精确放疗技术不同于常规放疗的最大特点，是在不增加、甚至减少正常组织放射损伤的情况下可提高肿瘤的照射剂量。因此，现代放疗不能像常规放疗那样，对所有患者都采用千篇一律的照射方法。应利用其物理剂量学特征根据肿瘤的大小、部位和周围正常组织对射线的敏感程度来决定总剂量、分次剂量和总的治疗时间，即个别情况个别对待。目前，虽然3D-CRT的照射方法还没有统一标准，但临床经验和临床治疗结果表明其照射模式将以个体化、多样化、高分次剂量、短疗程的方向发展。因此，精确放疗技术的适应证绝非是传统观念所公认的那些不能外科手术切除的中、晚期肿瘤的姑息治疗。相反，对一些早期的局限性肿瘤的治疗效果并不低于外科治疗。而且，精确放疗技术只有治疗最适合本技术的病例，才能充分体现其优势，一味治疗中、晚期病例，可能永远也不能使现代放疗技术得到承认和发展。

三、精确放疗中需要注意的几个问题

新世纪已进入精确放疗主导时代，特别是调强适形放疗和影像引导放疗的广泛开展。但精确放疗过程中还存在诸多不确定因素并导致各种误差产生，需引起重视，并寻求解决之道。

(一)靶区的几何不确定性

国际辐射单位及测量委员会(ICRU)50号和62号文件，对大体肿瘤靶区(GTV)、临床靶区(CTV)、计划靶区(PTV)做了明确规定，ICRU认为允许的总误差范围为± 5%。最大的不确定性发生在GTV的勾画，而GTV的确定主要靠临床检测和影像技术，因此存在人为、影像学和肿瘤本身三方面的不确定性。不同医师对靶区的认识存在明显差异，且临床医师变异率大于放射影像专家。这是由于医师本身诊断水平的不同及影像因素使靶区产生不确定性。目前确定靶区主要靠CT，但远远不够，如肿瘤有否浸润、局部反应及炎症常难以区分。螺旋CT、MRI等影像的发展使靶区的确定更准确，但更高要求是确定GTV中的肿瘤负荷和敏感性，从而勾画生物靶区，达到生物适形放疗。PET和其他功能影像如功能MRI和MRI波谱分析解决了部分问题，但由于CT、MRI、PET各自的局限性，已开始尝试影像融合如PET与CT、MRI与CT的融合。新的影像融合技术使靶区的确定更准确。

(二)摆位误差和器官移动

许多因素包括不可靠的摆位设备，CT与治疗床之间形状的不一致以及不同制作材料造成缓冲能力的不一致，使患者的摆位和最初设计之间存在系统误差。由于摆位激光的宽度和技术员因素，使每天患者的治疗体位与最初设计存在随机误差。一般来说，各个部位的摆位误差范围在0～3 mm。摆位的误差包括各方向位移及三维的旋转。减少摆位误差的主要措施是体位固定技术。近来已出现不少新技术，如放疗实时跟踪系统、无定位框架影像引导、三维超声靶向设备配合CT、CT模拟结合数码重建图像等。

近年来，治疗中计划CT影像与平均器官位置之间的误差，已引起人们对器官移动误差的兴趣，且器官移动的范围比平均器官位移更重要。器官移动可分为3种(对每个器官来说同时可有几种移动):①与体位有关的器官移动:指治疗过程患者体位从坐位变为仰卧位等。②治疗间器官移动:主要指靠近消化系统的器官，随着胃肠道的状态和患者体重的改变有不同程度移动。目前已有影像系统与治疗机相结合，实施影像引导的放疗。③治疗中器官移动:主要指照射中呼吸和心脏跳动对胸、腹部器官的影像。如肺癌、乳腺癌、肝癌的放疗均明显受到呼吸影响。对那些因呼吸引起移动的器官一般需测量总的器官移动，即器官从吸气到呼气的总的位置变化。有用心电门控多排CT来解决心脏搏动的影响。更重要的是利用呼吸门控系统来控制呼吸，如用体表定位标记来显示胸腹运动，用视频照相机记录胸腹运动，再用治疗机上实时定位处理系统来控制放疗;也有把视频相机改用红外线敏感相机以提高精确度，或者用肺活量仪来控制放疗中统一的肺活量，以及用治疗机上附加X线机来监测呼吸周期从而使放疗处在一定的呼吸周期。

(三)设备与物理因素

调强适形放疗最大潜在误差为射线输出量随放射野大小而变化，因范围变化较大，需高度重视。在剂量计算程序中，标准化的100%剂量为中心轴上10 cm处剂量，但不同商业软件与标准剂量相比会出现5%的差别。治疗计划越复杂，偏差越大。例如当应用较多楔形板时，其厚端就对剂量有影响。当然调强放疗还存在其他不确定因素，如叶片运动速率是否一致、叶片间隙是否正常等。所以越是精确放疗，要考虑的不确定因素越多，越要加强各种设备的质量控制。

(四)放射生物学的不确定因素

放疗总时间因中断而延长，会降低放射的生物效应，造成肿瘤局部控制率的降低，此即为放射生物学方面的不确定因素。其他还有某些遗传因素导致放射性DNA损伤的不易修复，从而使其正常组织对放射线高度敏感，产生难以预测的严重放疗反应。在临床生物学方面，肿瘤放射敏感性、增殖状态和乏氧情况都会明显影响肿瘤的放射杀灭效应，然而对这些还没有明确的检测方法，对肿瘤治愈的预测中存在明显的不确定因素。

(五)质量控制中的不确定因素

质量控制贯穿整个放疗过程，包括人的因素及设备因素。有人从多途径(如模拟照射、质量保证、治疗验证和治疗实施)研究影响放疗准确性和精确性的多个参数，认为要针对这些不确定因素扩大计划靶区的范围。欧洲6个放疗中心质控检查剂量的测量，表明总剂量的准确率为95%。不过随着质控设备的发展，总准确率相信会越来越高，如CT模拟、实时射野影像装置等质控设备均已大大提高放疗的准确性。

(六)计算模型的不确定因素

发展定量放射生物模型以预测组织或器官对射线的效应，有着重要意义，但是在放射生物计算模型中也存在着不确定因素。肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症发生概率(NTCP)模型提供了一个对物理剂量分布定量转换的生物效应手段，具有潜在重要意义。

针对放疗中每一步骤的各种不确定因素，计划系统中设计了诸多计算机模拟技术，如蒙特卡罗(MC)和卷积算法，就常用来解决系统和随机治疗不确定性因素。

虽然放疗过程中存在许多几何、生物及物理的不确定因素，但现在已经开始重视并设法解决这些问题。通过影像融合能自动纠正影像偏差，而转换影像格式和融合影像的计划系统可进一步精确确定靶区。对于各种摆位误差、器官移动亦有了诸多离线和在线的方法。新的设备如实时射野影像装置、CT加速器、实时影像跟踪系统亦已不断出现。对于不可避免的不确定因素，各种计算方法在不断出现和完善，将来可能会由计划系统来自动估算这些不确定因素，最终形成最佳治疗方案。而放疗设备将全部联网以保证各种定位片、射野片和验证片的一致和随时对比，加速器和影像监控相连可随时发现问题并发送到计划系统，随时进行纠正并按新的准确计划治疗。